特開 2024-104825 かご形回転子および誘導電動機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024104825

(43)【公開日】2024-08-06

(54)【発明の名称】かご形回転子および誘導電動機

(51)【国際特許分類】

   H02K 9/06 20060101AFI20240730BHJP

   H02K 17/16 20060101ALI20240730BHJP

【ＦＩ】

H02K9/06 B

H02K17/16 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023009204

(22)【出願日】2023-01-25

(71)【出願人】

【識別番号】000006105

【氏名又は名称】株式会社明電舎

(74)【代理人】

【識別番号】100114775

【弁理士】

【氏名又は名称】高岡 亮一

(74)【代理人】

【識別番号】100121511

【弁理士】

【氏名又は名称】小田 直

(74)【代理人】

【識別番号】100208580

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 玲奈

(74)【代理人】

【識別番号】100116001

【弁理士】

【氏名又は名称】森 俊秀

(72)【発明者】

【氏名】古谷 雄生

【テーマコード（参考）】

5H013

5H609

【Ｆターム（参考）】

5H013LL07

5H013MM01

5H013NN02

5H609BB02

5H609BB19

5H609PP02

5H609PP06

5H609PP07

5H609PP09

5H609QQ02

5H609QQ11

5H609RR06

5H609RR17

5H609RR32

5H609RR63

5H609RR69

5H609RR73

(57)【要約】

【課題】固定子側のコイルの冷却を妨げることなく、回転子の冷却を行えるかご形回転子を提供する。
【解決手段】かご形回転子は、ロータコアと、ロータコアに取り付けられるかご形導体と、を備える。かご形導体は、ロータコアの周方向に配列され、それぞれ軸方向に延びる複数のロータバーと、ロータバーの軸方向両端に配置され、複数のロータバーを電気的に接続する一対のエンドリングと、を有する。エンドリングは、ロータバーとの接続面とは反対側の軸方向端面に送風部を有する。送風部は、エンドリングから軸方向に突出するとともに周方向に環状をなす環状壁と、環状壁の内周側からそれぞれ径方向内側に延び、軸方向に突出する複数のフィンを有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロータコアと、
前記ロータコアに取り付けられるかご形導体と、を備え、
前記かご形導体は、
前記ロータコアの周方向に配列され、それぞれ軸方向に延びる複数のロータバーと、
前記ロータバーの軸方向両端に配置され、複数の前記ロータバーを電気的に接続する一対のエンドリングと、を有し、
前記エンドリングは、前記ロータバーとの接続面とは反対側の軸方向端面に送風部を有し、
前記送風部は、前記エンドリングから軸方向に突出するとともに周方向に環状をなす環状壁と、前記環状壁の内周側からそれぞれ径方向内側に延び、軸方向に突出する複数のフィンを有する
かご形回転子。

【請求項2】

前記フィンは、径方向の外周側が前記環状壁と接続され、軸方向で前記エンドリングと接続されたリブ形状である
請求項１に記載のかご形回転子。

【請求項3】

前記フィンの断面形状は、軸方向の先端側の幅が基端側よりも小さいテーパー形状であり、
軸方向に対する前記フィンの正転方向の面の傾きは、軸方向に対する前記フィンの反転方向の面の傾きよりも大きい
請求項１に記載のかご形回転子。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のかご形回転子と、
固定子と、を備える
誘導電動機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、かご形回転子および誘導電動機に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、電動車両用の駆動モータには、回転子に永久磁石を用いたＰＭモータが広く用いられている。しかし、ＰＭモータは永久磁石が必要であるため、コスト面で磁石価格の高騰などの影響を受けやすく、特に希土類磁石は調達自体が困難となる場合がある。また、ＰＭモータはコギングトルクによる脈動があるため、回転による振動・騒音が問題となりうる。

【0003】

上記のＰＭモータの課題を解決するために、電動車両用の駆動モータとして誘導電動機を適用することが検討されている。誘導電動機の回転子には、ロータコアにかご形導体を組み付けて構成されたかご形回転子が用いられる。かご形導体は、ロータコアに挿通されて軸方向に延びる複数のロータバーと、ロータバーの両端に配置されて各々のロータバーの端部を電気的に接続する一対のエンドリングを備えている。

【0004】

また、この種の誘導電動機の冷却構造として、エンドリングの先端にフィンを設け、回転子の回転によるファン効果で固定子のコイルエンドを冷却する構造も提案されている（例えば特許文献１、２等）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平７－１７０６９３号公報

【特許文献2】実開昭６２－０６４１７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１、２などの従来の冷却構造では、回転子の発熱を含む風が固定子のコイルエンドに当たるため、固定子のコイルが温度上昇しうる点で改善の余地があった。

【0007】

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであって、固定子側のコイルの冷却を妨げることなく、回転子の冷却を行えるかご形回転子を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一態様のかご形回転子は、ロータコアと、ロータコアに取り付けられるかご形導体と、を備える。かご形導体は、ロータコアの周方向に配列され、それぞれ軸方向に延びる複数のロータバーと、ロータバーの軸方向両端に配置され、複数のロータバーを電気的に接続する一対のエンドリングと、を有する。エンドリングは、ロータバーとの接続面とは反対側の軸方向端面に送風部を有する。送風部は、エンドリングから軸方向に突出するとともに周方向に環状をなす環状壁と、環状壁の内周側からそれぞれ径方向内側に延び、軸方向に突出する複数のフィンを有する。

【0009】

上記のフィンは、径方向の外周側が環状壁と接続され、軸方向でエンドリングと接続されたリブ形状であってもよい。
上記のフィンの断面形状は、軸方向の先端側の幅が基端側よりも小さいテーパー形状であってもよく、軸方向に対するフィンの正転方向の面の傾きは、軸方向に対するフィンの反転方向の面の傾きよりも大きくてもよい。
また、本発明の他の態様の誘導電動機は、上記のかご形回転子と、固定子とを備える。

【発明の効果】

【0010】

本発明の一態様によれば、固定子側のコイルの冷却を妨げることなく、回転子の冷却を行えるかご形回転子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本実施形態のかご形回転子および誘導電動機の例を示す縦断面図である。

【図2】図１に示すかご形回転子の斜視図である。

【図3】図１に示すかご形回転子の正面図である。

【図4】径方向と直交方向におけるフィンの断面図である。

【図5】送風部による空気の流れを模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
実施形態では説明を分かり易くするため、本発明の主要部以外の構造や要素については、簡略化または省略して説明する。また、図面において、同じ要素には同じ符号を付す。なお、図面に示す各要素の形状、寸法などは模式的に示したもので、実際の形状、寸法などを示すものではない。

【0013】

以下の説明では、回転軸Ａｘの延長方向と平行な方向を軸方向と称し、回転軸Ａｘを中心とする周方向を単に周方向と称し、回転軸Ａｘを中心とする径方向を単に径方向と称する。また、以下の説明において、「軸方向に延びる」とは、厳密に軸方向に延びる場合に加えて、軸方向に対して、４５°未満の範囲で傾いた方向に延びる場合も含む。また、「径方向に延びる」とは、厳密に径方向、すなわち、軸方向に対して垂直な方向に延びる場合に加えて、径方向に対して４５°未満の範囲で傾いた方向に延びる場合も含む。また「平行」とは、厳密に平行な場合に加えて、互いに成す角が４５°未満の範囲で傾いた場合も含む。

【0014】

図１は、本実施形態のかご形回転子および誘導電動機の例を示す縦断面図である。図２は、図１に示すかご形回転子の斜視図である。図３は、図１に示すかご形回転子の正面図である。なお、図２、図３では、シャフトの図示は省略している。

【0015】

図１に示すように、本実施形態の誘導電動機１は、インナーロータ型モータであって、かご形回転子２と、固定子３と、筐体４とを備える。

【0016】

筐体４は、筐体本体５と、第１ブラケット６および第２ブラケット７とを備え、いずれも鋳造により製造される。筐体本体５は、一端側と他端側が開口された円筒形状に形成され、かご形回転子２および固定子３を内側に収容する。

【0017】

第１ブラケット６は、筐体本体５の一端側の開口を塞ぐ円板状の部材であり、内側の面がかご形回転子２および固定子３の一端側に臨む。第１ブラケット６の中央部には、後述のシャフト１２の一端側を回転可能に支持する軸受８ａが設けられている。なお、シャフト１２は、軸受８ａを挿通して第１ブラケット６の外側に突出している。

【0018】

同様に、第２ブラケット７は、筐体本体５の他端側の開口を塞ぐ円板状の部材であり、内側の面がかご形回転子２および固定子３の他端側に臨む。第２ブラケット７の中央部には、シャフト１２の他端側を回転可能に支持する軸受８ｂが設けられている。

【0019】

固定子３は、図１に示すように、筐体本体５の内周に嵌合されるとともに、かご形回転子２の外周に僅かなエアギャップを隔ててかご形回転子２と同心状に配置される。固定子３には、一次電流を流すコイルが周方向に配列されており、当該コイルにより固定子３には周方向に沿って等間隔に磁極が構成される。誘導電動機１では、コイルへの電流制御で固定子３に回転磁界が形成される。これにより、回転磁界に誘導されて後述のかご形導体１３に流れる二次電流と回転磁界の間にトルクが発生し、回転軸Ａｘを中心としてかご形回転子２が回転する。なお、図面では、固定子３のコイルの一部としてコイルエンド９を示している。

【0020】

かご形回転子２は、ロータコア１１と、シャフト１２と、かご形導体１３とを有する。
ロータコア１１は、円盤状のケイ素鋼板等を軸方向に複数積層して形成され、全体形状が略円筒形状をなしている。ロータコア１１は、後述するロータバー２１の周囲の磁束密度を高めて誘導電動機１のトルクを増大させる機能や、かご形回転子２を補強する機能を担う。また、ロータコア１１の軸心部には、ロータコア１１を貫通するように回転軸Ａｘに沿ってシャフト１２が嵌入されている。

【0021】

また、ロータコア１１には、ロータコア１１を軸方向に貫通するスロット１１ａが複数形成されている。各々のスロット１１ａは、回転軸Ａｘを中心として環状をなすように、周方向に等間隔をあけて配置されている。ロータコア１１の各スロット１１ａには、ロータコア１１を貫通して軸方向に延びるロータバー２１がそれぞれ挿入されている。

【0022】

かご形導体１３は、複数のロータバー２１と、一対のエンドリング２２とを有し、ロータコア１１に取り付けられている。

【0023】

ロータバー２１は、例えばアルミニウムや銅などの導電性金属で形成された棒状の部材であり、回転子において回転磁界による誘導電流（二次電流）を流す。各々のロータバー２１は、回転子の周方向に等間隔をあけて環状に配置され、図１に示すようにそれぞれ軸方向に延びている。ロータバー２１の軸方向と直交する横断面形状は、図示を省略するが、例えば矩形、円形、楕円形状などに形成される。なお、ロータバー２１は、軸方向に対して斜めに傾いてスキュー状に配置されていてもよい。

【0024】

エンドリング２２は、例えばアルミニウムなどの導電性金属で形成された環状の部材であり、ロータバー２１の軸方向両端にそれぞれ配置される。図２、図３に示すように、エンドリング２２は、環状本体２３と、送風部２４とを有している。なお、かご形導体１３における２つのエンドリング２２の構成は共通であるため、明細書では一方のエンドリング２２の構成を説明し、他方のエンドリング２２の構成に関する重複説明はいずれも省略する。

【0025】

エンドリング２２の環状本体２３は、全体形状が円環状であり、ロータコア１１の軸方向端部に配置される。環状本体２３は各ロータバー２１の端部と接合されており、環状に配置された複数のロータバー２１同士を電気的に接続する。また、環状本体２３は、部分的に内周側を削ることでかご形回転子１の回転時の動バランスを調整する調整部としても機能する。

【0026】

送風部２４は、環状本体２３においてロータバー２１との接続面とは反対側の軸方向端面に設けられている。送風部２４は、かご形回転子２と一体に回転軸Ａｘを中心に回転し、径方向内側への気流を生じさせてかご形回転子２を冷却する。

【0027】

送風部２４は、環状壁２５と複数のフィン２６とを有している。送風部２４の環状壁２５は、環状本体２３の外周部において環状本体２３から軸方向に立ち上がって突出し、軸方向からみた全体形状が回転軸Ａｘを中心に周方向に環状をなすように形成されている。

【0028】

図４は、径方向と直交方向におけるフィン２６の断面図である。
図２、図３に示すように、複数のフィン２６は、周方向に所定の間隔をあけて環状壁２５の内周側に放射状をなすように配置されている。各フィン２６は、環状本体２３から立ち上がって軸方向に突出し、軸方向からみたときに環状壁２５の内周側から径方向内側に延びるように形成されている。

【0029】

フィン２６の周方向の間隔は適宜設定することができる。フィン２６の間隔は、例えば、機械角で１０度間隔以下としてもよく、好ましくは機械角で９度間隔以下としてもよい。フィン２６の間隔を狭くすると送風部２４における熱伝達の表面積を確保しやすくなる。これにより、かご形回転子１の発熱をフィン２６によって冷却風に放熱しやすくなるとともに、フィン２６の隙間に発生する旋回流が抑制され、かご形回転子１の回転による風損を低減することもできる。

【0030】

また、各フィン２６の径方向長さは環状本体２３の径方向の幅よりも小さく、各フィン２６は環状本体２３および環状壁２５に接続されたリブ形状をなしている。環状壁２５が複数のフィン２６で内周側から補強されることで、高速回転時における環状壁２５の遠心力への強度を向上させることができる。

【0031】

また、エンドリング２２の製造時には、後述のように型材を軸方向（図４の上下方向）に抜く都合上、図４（ａ）に示すように、各々のフィン２６は、軸方向の先端側の幅が基端側よりも小さくなるテーパー形状に形成される。また、環状壁２５も図４（ａ）に示すフィンと同様に、軸方向の先端側の幅が基端側よりも小さくなるテーパー形状に形成される。

【0032】

図４（ａ）に示すフィン２６は、回転方向Ｒにおいて正転側（図中右側）と反転側（図中左側）で軸方向に対するフィン２６の面の傾きがほぼ等しい形状である。しかし、図４（ｂ）に示すように、回転方向Ｒの正転側での軸方向に対するフィン２６の面の傾きを反転側のフィン２６の面の傾きよりも大きくしてもよい。正転側での軸方向に対するフィン２６の面の傾きを大きくすることで、フィン２６の回転時に生じる気流をより大きくすることができる。

【0033】

上記のかご形導体１３の組立は、例えば以下の工程で行われる。まず、ロータコア１１のスロット１１ａにそれぞれロータバー２１をはめ込んで配置する。次に、ロータコア１１の端部にエンドリング２２の型材（不図示）を取り付ける。その後、型材内にエンドリング２２の材料を鋳込んでロータバー２１と接合されたエンドリング２２を形成する。これにより、エンドリング２２において、環状本体２３と送風部２４が一体に形成される。なお、型材はエンドリング２２の形成後に除去される。

【0034】

ここで、本実施形態のかご形回転子２のエンドリング２２は、ロータバー２１との接続面とは反対側の軸方向端面に送風部２４を有する。送風部２４は、エンドリング２２から軸方向に突出するとともに周方向に環状をなす環状壁２５と、環状壁２５の内周側からそれぞれ径方向内側に延び、軸方向に突出する複数のフィン２６を有する。

【0035】

図５は、誘導電動機１の一端側での送風部２４による空気の流れを模式的に示す図である。なお、以下の説明では、誘導電動機１の一端側での送風部２４の冷却を説明するが、誘導電動機１の他端側での送風部２４の冷却も一端側と同様である。

【0036】

送風部２４はかご形回転子２と一体に回転軸Ａｘを中心に回転する。回転時の各フィン２６は径方向への気流を生じさせる一方、フィン２６の外周側には環状壁２５が形成されているためフィン２６の気流は環状壁２５の外側には直接流れない。したがって、送風部２４が回転すると、フィン２６の軸方向端部側から空気が取り込まれ、フィン２６の径方向内側に向かう気流が生じる。

【0037】

軸方向端部側から取り込まれた空気は、環状壁２５、フィン２６および環状本体２３に接触し、エンドリング２２から熱を奪ってかご形回転子２の内周側に向かう。これにより、エンドリング２２が空冷される。そして、エンドリング２２の熱で温められた空気はかご形回転子２の中央近傍でシャフト１２に沿って軸方向の一端側に流れ、第１ブラケット６の内側の面に向かう。

【0038】

エンドリング２２の熱で温められた空気は、第１ブラケット６に沿って内周側から外周側に向けて流れ、その際に鋳造品である第１ブラケット６との熱交換が行われる。これにより、第１ブラケット６の近傍で空気の温度が低下する。その後、第１ブラケット６への放熱で温度が低下した空気の一部は再びフィン２６の軸方向端部側に流れて循環する。以上のようにして、送風部２４によりエンドリング２２の冷却が行われる。

【0039】

上記のように、フィン２６の気流は環状壁２５の外側には直接流れないため、エンドリング２２の熱で温められた空気はコイルエンド９に当たりにくい。したがって、本実施形態の構成によれば、かご形回転子２の熱で温められた空気により固定子３側のコイルの温度が上昇する事象を抑制できる。

【0040】

また、第１ブラケット６への放熱で温度が低下した空気の一部は、筐体４内を外周側に流れ、コイルエンド９と接触して熱を奪う。これにより、送風部２４により生成される空気の流れでコイルエンド９の冷却も行われる。以上のようにして、本実施形態のかご形回転子２は、固定子３側のコイルの冷却を妨げることなく、回転子の冷却を行うことができる。

【0041】

本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行ってもよい。

【0042】

例えば、上記実施形態では誘導電動機１がモータである場合について説明したが、誘導電動機１は発電機であってもよい。

【0043】

加えて、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0044】

１…誘導電動機、２…かご形回転子、３…固定子、４…筐体、５…筐体本体、６…第１ブラケット、７…第２ブラケット、８ａ，８ｂ…軸受、９…コイルエンド、１１…ロータコア、１１ａ…スロット、１２…シャフト、１３…かご形導体、２１…ロータバー、２２…エンドリング、２３…環状本体、２４…送風部、２５…環状壁、２６…フィン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】